CN106990145A - 一种便携式土壤速效养分检测装置 - Google Patents

一种便携式土壤速效养分检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种便携式土壤速效养分检测装置，其包括：用于将土壤养分待测液中的待测养分浓度转化为原始电信号的玻璃微电极阵列；与所述玻璃微电极阵列相连的前置放大装置，所述前置放大装置用于放大所述原始电信号以得到增强电信号；与所述前置放大装置相连的信号调理电路，所述信号调理电路用于将所述增强电信号进行降噪处理以得到有效电信号；与所述信号调理电路相连的数据处理装置，所述数据处理装置用于转换并处理所述有效电信号。本发明能够有效的降低干扰信号对数据分析的不利影响。

Description

一种便携式土壤速效养分检测装置
技术领域
本发明涉及土壤养分检测装置，更具体地，涉及一种便携式土壤速效养分检测装置。
背景技术
土壤养分是由土壤或人工提供的植物生长所必须的营养元素，能直接或经转化后被植物根系吸收的矿质营养成分。土壤养分含量在农业生产中具有重要作用，尤其是在施肥技术的推广中，对土壤中养分含量的准确了解，为更适当的调节土壤肥力提供准确的分析基础。土壤中的速效养分是指当季作物能够直接吸收的养分，包括水溶态养分和吸附在土壤胶体颗粒上容易被交换下来的养分，其含量的高低是土壤养分供给的强度指标。
目前对土壤中的速效养分进行检测，多需要在实验室内使用，例如火焰光度法或原子吸收分光光度计等，相对耗时费力。为提高对土壤中速效养分的快速检测，近来，国内外涌现了一批土壤养分快速检测设备。例如，申请号为CN201310428923.2和201510776488.1的中国专利申请，是基于卤素灯组合光源的多功能土壤养分快速检测装置；申请号为CN201320176010.1，CN201320174615.7的中国专利申请，是基于透射和反射图像分析的土壤养分检测系统；申请号为CN101975764B的中国专利申请，是基于近红外光谱技术的多波段土壤氮素检测装置和方法；申请号为CN201510984791.0的中国专利申请，是基于激光照射的特征光谱分析的检测系统。
上述检测装置能够对土壤养分进行较准确的分析，但是，其耗时长、操作复杂，且无法满足田间现场环境下的土壤养分快速检测的需求。因此，电化学检测技术由于其响应速度快、灵敏度高等特点，逐渐在物质含量的分析检测领域得到应用。但是，采用电化学检测技术进行检测时，土壤中的速效养分由浸提剂浸提后得到的水溶液中，其速效养分含量较少，经转化后得到的电信号比较微弱，且会伴随产生一些干扰信号，会影响对土壤中速效养分的准确分析。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的便携式土壤速效养分检测装置，以解决干扰信号影响养分分析准确性的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种便携式土壤速效养分检测装置，其包括：
用于将土壤养分待测液中的待测养分浓度转化为原始电信号的玻璃微电极阵列；
与所述玻璃微电极阵列相连的前置放大装置，所述前置放大装置用于放大所述原始电信号以得到增强电信号；
与所述前置放大装置相连的信号调理电路，所述信号调理电路用于将所述增强电信号进行降噪处理以得到有效电信号；
与所述信号调理电路相连的数据处理装置，所述数据处理装置用于转换并处理所述有效电信号。
进一步地，所述玻璃微电极阵列包括一个参比电极和至少三个离子选择性工作电极，所述离子选择性工作电极内依次灌充有液态离子选择交换剂和电解液。
进一步地，所述液态离子选择交换剂为：20μm-40μm长度的NH4 +离子选择交换剂、20μm-40μm长度的NO3 -离子选择交换剂或180μm-200μm长度的K+离子选择交换剂。
进一步地，所述玻璃微电极阵列插接于所述前置放大装置上。
进一步地，还包括：供给电能的电源，所述电源采用低纹波的电池。
进一步地，所述信号调理电路包括用于稳定信号的电压跟随电路和用于滤除噪声的滤波电容。
进一步地，所述数据处理装置包括采集卡和微处理器，所述采集卡具有16路采集通道，且所述采集卡的采集位数为16位。
进一步地，还包括：与所述数据处理装置相连且用于检测土壤中水分的水分传感器。
进一步地，还包括：与所述数据处理装置相连且用于监测环境温度的温度传感器。
进一步地，还包括：与所述数据处理装置相连且用于定位并记录采样位置信息的GPS。
本申请的有益效果主要如下：
(1)采用前置放大装置对原始电信号进行放大处理后，通过信号调理电路对放大后的增强电信号进行降噪处理，不仅能够提高由玻璃微电极阵列获取的电信号的强度，还能够有效的降低干扰信号的影响，提高分析检测的准确性；
(2)采用低纹波的电池提供电源，降低产生的干扰信号的强度，进一步降低干扰信号的影响；
(3)玻璃微电极阵列与前置放大装置采用直接连接的方式，避免采用导线连接时产生的干扰信号，再进一步降低干扰信号的影响；
(4)数据处理装置还分别连接有水分传感器、温度传感器和GPS，便于对土壤中的速效养分进行综合分析。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种便携式土壤速效养分检测装置的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的一种便携式土壤速效养分检测装置的玻璃微电极阵列的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的一种便携式土壤速效养分检测装置的前置放大装置的电路结构示意图；
图4为根据本发明实施例的一种便携式土壤速效养分检测装置的信号调理电路的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1所示，一种便携式土壤速效养分检测装置，包括：玻璃微电极阵列1、前置放大装置2、信号调理电路3和数据处理装置7。玻璃微电极阵列1用于检测土壤养分待测液中的待测离子浓度，并将该待测离子浓度转换为原始电信号，以用于数据处理分析。
为便于对土壤中的速效养分进行分析，先采集目标试验田耕作层的土壤样品，土壤样品取自耕作层地下深度为15cm-25cm处的土壤。采集的土壤样品采用去离子水或0.1mol/LCaCl2溶液浸提，土壤样品与去离子水/CaCl2溶液的质量比为1:10，例如，在5g土壤样品中加入50ml去离子水中。
加入去离子水后，充分振荡混匀，使土壤的速效养分以可溶性离子状态进入到水溶液中，再进行过滤，得到澄清的、含有土壤中速效养分的土壤养分待测液。将土壤养分待测液置于检测容器中，将玻璃微电极阵列1浸入到土壤养分待测液中，检测土壤养分待测液中的速效养分浓度。
玻璃微电极阵列1与前置放大装置2相连。玻璃微电极阵列1将获取的速效养分浓度信息转换为原始电信号，并将该原始电信号输出，传送至前置放大装置2。由于土壤中的速效养分的浓度较小，玻璃微电极阵列1检测得到的原始电信号是比较微弱的，其与装置本身电路中的信号产生混淆而难以区分，因此，通过设置前置放大装置2，将玻璃微电极阵列1输出的原始电信号在引入干扰电信号之前进行放大处理，以增强该原始电信号的强度，降低干扰信号的影响，便于后期的分析处理。
前置放大装置2与信号调理电路3相连。经由前置放大装置2放大处理后的增强电信号，输入至信号调理电路3。信号调理电路3降低伴随增强电信号输入的干扰信号的强度，以降低干扰信号对增强电信号的不利影响。
信号调理电路3与数据处理装置7相连。经过信号调理电路3降噪处理后的有效电信号输入至数据处理装置7，数据处理装置7将该有效电信号转换为数字信号，并进行分析处理，以获取土壤养分待测液中速效养分的含量。
由玻璃微电极阵列1获取的关于速效养分含量信息的原始电信号，经放大、降噪处理后，能够有效的提高数据处理装置7对有效电信号的辨识及处理的准确度。
参见图2所示，用于获取原始电信号的玻璃微电极阵列1包括一个参比电极11和至少三个离子选择性工作电极12。多个离子选择性工作电极12具有相同的结构。具体地，离子选择性工作电极12包括用于灌充试剂的玻璃电极，玻璃电极内灌充的试剂为液态离子选择交换剂和电解液，其中，液态离子选择交换剂靠近玻璃电极的下端口，电解液与离子选择交换剂接触但不互相溶合。
在玻璃电极中灌充的液态离子交换剂种类为20μm-40μm长度的NH4 +离子选择交换剂、20μm-40μm长度的NO3 -离子选择交换剂或180μm-200μm长度的K+离子选择交换剂。其中，NH4 +离子选择交换剂的来源为：Ammonium ionophore I-cocktail A；Sigma-Aldrich,Louis,MO 63103,USA；NO3 -离子选择交换剂的来源为:Xuyue(Beijing)Sci.&Tech.Co.,Ltd.Beijing,100080,P.R.China；K+离子选择交换剂的来源为：Potassium ionophore I-cocktail A；Sigma-Aldrich,Louis,MO 63103,USA。
在玻璃电极中灌充的电解液为100mmol·L-1氯化铵水溶液(NH4Cl水溶液)、10mmol·L-1硝酸钾水溶液(KNO3水溶液)；或100mmol·L-1氯化钾水溶液(KCl水溶液)。在液柱中灌充的电解液的长度为8mm-12mm。
具体地，当离子选择性工作电极12内灌充的离子选择交换剂为NH4 +离子选择交换剂时，相应的，该离子选择性工作电极12内灌充的电解液为100mmol·L-1氯化铵水溶液。该离子选择性工作电极12用于检测土壤样品中的铵态氮含量。
当离子选择性工作电极12内灌充的离子选择交换剂为NO3 -离子选择交换剂时，相应的，该离子选择性工作电极12内灌充的电解液为10mmol·L-1硝酸钾水溶液。该离子选择性工作电极12用于检测土壤样品中的硝态氮含量。
当离子选择性工作电极12内灌充的离子选择交换剂为K+离子选择交换剂时，相应的，该离子选择性工作电极12内灌充的电解液为100mmol·L-1氯化钾水溶液。该离子选择性工作电极12用于检测土壤样品中的速效钾含量。
对应地，含有NH4 +离子选择交换剂的离子选择性工作电极12用于检测土壤养分待测液中的NH4 +含量，即检测土壤样品的铵态氮含量；含有NO3 -离子选择交换剂的离子选择性工作电极12用于检测土壤养分待测液中的NO3 -含量，即检测土壤样品的硝态氮含量；含有K+离子选择交换剂的离子选择性工作电极12用于检测土壤养分待测液中的K+含量，即检测土壤样品的速效钾含量。
灌充有相应的离子选择交换剂和电解液的玻璃电极安装到氯化的Ag/AgCl电极固定架上，并使Ag/AgCl电极的银丝前端浸入到玻璃电极内，与玻璃电极内的电解液接触，以形成离子选择性工作电极12。参见图2所示，玻璃微电极陈列1包括一只参比电极11和多只离子选择性工作电极12，参比电极11和离子选择性工作电极12均插接在电极座13上。参比电极11在中间，离子选择性工作电极12环绕于其周围，并都通过拔插的方式插接于电极座13上。
在离子选择性工作电极12的外围由内至外依次设置有电极保护网14和电极罩15。电极保护网14和电极罩15均为一端开口的结构，电极保护网14和电极罩15的一端均可拆卸的安装于电极座13上，且电极保护网14和电极罩15的长度大于参比电极11和离子选择性工作电极12的长度。此外，在电极座13上还设置有手柄16。
电极保护网14是具有网眼的笼状结构，既不影响被测溶液通过，又可以保护电极不易被外力戳断；电极罩15是ABS材质的筒状结构，主要在电极存放时起保护作用。
玻璃微电极阵列1在使用前，先将其电极头部浸入已知浓度的校正液中进行校正。具体地，玻璃微电极阵列1的电极头部浸入校正液中，读取各个电极的电位，并根据能斯特方程，由数据处理装置7自动计算得到各电极的斜率和截距。当计算得到的斜率为±58±5时(阳离子为正，阴离子为负)，表明玻璃微电极阵列1工作正常，能够用于检测。
在一个具体的实施例中，对用于检测土壤样品中速效养分的玻璃微电极阵列1的三个离子选择性工作电极12的校正数据见表1，其中，校正液1为0.1mmol·L-1的KCl、0.1mmol·L-1的KNO3和0.1mmol·L-1的NH4Cl的混合溶液；校正液2为1mmol·L-1的KCl、1mmol·L-1的KNO3和1mmol·L-1的NH4Cl的混合溶液。
表1校正参数
由外界环境的影响而产生的干扰信号中，电源干扰纹波和环境中电磁波的干扰比较严重。干扰信号会使得采集到的电压波动较大，造成信号准确性差，进而导致解析的浓度误差很大。
由于环境中的电磁波会通过导线进入前置放大装置，以干扰最终数据分析处理的准确性，因此，为降低干扰信号的影响，玻璃微电极阵列1与前置放大装置2之间采用直接插接的方式，以避免采用导线连接时所引入的环境中电磁波的干扰。
为进一步降低对原始电信号的干扰，用以提供电能的电源采用低纹波的电池。电源分别与前置放大装置2、信号调理电路3和数据处理装置7相连，以提供电能。采用低纹波的电池提供电能，使装置本身附带的干扰纹波强度最大限度的减小，以降低对原始电信号进行分析处理的不利影响。
在信号调理电路3对玻璃微电极阵列1获取的原始电信号进行降噪处理之前，还进一步采用低纹波的电池供电，和/或，玻璃微电极阵列1与前置放大装置2直接连接的方式，使得在原始电信号获取过程中，即先通过减少干扰信号的引入，以有效的降低干扰信号的种类和/或强度，以提高对原始电信号的辨识和分析准确性。
为便于与检测过程中产生的干扰信号进行有效的区分，采用前置放大装置2对玻璃微电极阵列1获取的原始电信号进行放大处理。参见图3所示，前置放大装置2主要由前置放大电路构成。前置放大电路包括运算放大器和外围放大电路，外围放大电路连接于运算放大器上，并且，运算放大器和外围放大电路均设置于电路板上。
玻璃微电极阵列1插接于前置放大装置2上，前置放大装置2的信号输出端与信号调理电路3通过插针相连。玻璃微电极阵列1将获取的原始电信号输入至运算放大器，以实现放大原始电信号的目的。经放大处理后得到的增强电信号输入信号调理电路3，以进行降噪处理。
在一个具体的实施例中，采用型号为AD549的运算放大器来实现放大信号的目的。AD549是极低偏置电流运算放大器，输入级具有1015Ω的共模阻抗。
在减少引入干扰信号的基础上，对获取的原始电信号采用信号调理电路3进一步进行降噪处理，降低干扰信号对原始电信号的不利影响。参见图4所示，具体地，信号调理电路3采用电压跟随电路稳定信号，采用滤波电容滤除噪声。
在一个具体的实施例中，前置放大装置2和信号调理电路3均设置于玻璃微电极阵列1的电极座13内，参比电极11和离子选择性工作电极12与前置放大装置2直接插接，前置放大装置2与信号调理电路3通过插针直接相连。
参见图1所示，经信号调理电路3降噪处理后得到的有效电信号输入至数据处理装置7，数据处理装置7包括采集卡和微处理器。
采集卡具有16路采集通道，能够实现多通道的同步高精度数据采集，便于同时对土壤养分待测液中的多种速效养分的含量数据进行同时采集。具体地，采集卡的采集位数为16位。同时，采集卡采集得到土壤养分待测液中多种养分的浓度信息的有效电信号，并通过采集卡的A/D转换功能，将该有效电信号转换为数字信号。
采集卡将经过A/D转换得到的数字信号输入至微处理器，微处理器接收该数字信号。微处理器中安装的软件采用七点滤波法结合平均值的算法，依据能斯特方程E＝K±SlgC，其中E为电位，K为截距，S为斜率，对该数字信号进行处理，即将电位信息转换为不同养分的浓度信息。
为更直观的监测土壤中速效养分的含量情况，还设置有用于检测土壤中水分的水分传感器4，水分传感器4与数据处理装置7相连。在进行检测土壤中水分时，直接将水分传感器4插入到待取样的土壤中，即可检测得到土壤样品中的水分含量。
该水分含量信息输入至数据处理装置7，经数据处理装置7的采集卡转换后，由微处理器结合数字信号及所采集的土壤样品的重量信息，能够将土壤样品待测液中所含速效养分的浓度转换为质量含量比，即每克土壤样品中含有速效养分的质量。通过水分传感器4采集土壤中的水分信息，不仅能够对土壤样品的湿度进行直接的检测，结合土壤样品待测液中的速效养分浓度信息，还能够更直观反映土壤样品中速效养分的含量情况。
数据处理装置7还连接有温度传感器5。温度传感器5采集到的环境温度数据直接输入至数据处理装置7。在分析土壤样品中的速效养分含量的同时，记录对应的环境温度信息，以便于分析环境温度对数据采集和/或分析处理过程的影响。
更进一步，数据处理装置7还连接有GPS6。在采集土壤样品的同时，结合地图信息，记录土壤样品的采集位置，便于对数据的整理归类，以进行系统的管理。
为具体说明数据分析的效果，将采集的某一土壤样品均分为两份，一份采用本申请的装置进行检测，另一份送农产品质量安全检测中心进行检测，其检测结果对比见表2。
表2检测结果对比
本发明的一种便携式土壤速效养分检测装置，采用玻璃微电极阵列1采集土壤样品待测液中的速效养分的浓度信息，并将该浓度信息转化为原始电信号，为降低获取原始电信号时伴随产生的干扰信号的不利影响，装置采用低纹波的电池供电，并且，玻璃微电极阵列1直接与用于放大原始电信号的前置放大装置2相连。在此基础上，采用信号调理电路3对放大处理后的增强电信号进行进一步的降噪处理，提高数据处理装置7对玻璃微电极阵列1获取的原始电信号的处理准确度。
此外，数据处理装置7还分别连接有水分传感器4、温度传感器5和GPS6，以分别对土壤中的水分含量、检测时的环境温度以及土壤样品的采集位置进行监测，以更好的对土壤样品进行分析。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便携式土壤速效养分检测装置，其特征在于，其包括：
用于将土壤养分待测液中的待测养分浓度转化为原始电信号的玻璃微电极阵列(1)；
与所述玻璃微电极阵列(1)相连的前置放大装置(2)，所述前置放大装置(2)用于放大所述原始电信号以得到增强电信号；
与所述前置放大装置(2)相连的信号调理电路(3)，所述信号调理电路(3)用于将所述增强电信号进行降噪处理以得到有效电信号；
与所述信号调理电路(3)相连的数据处理装置(7)，所述数据处理装置用于转换并处理所述有效电信号。
2.如权利要求1所述的一种便携式土壤速效养分检测装置，其特征在于：所述玻璃微电极阵列(1)包括一个参比电极(11)和至少三个离子选择性工作电极(12)，所述离子选择性工作电极(12)内依次灌充有液态离子选择交换剂和电解液。
3.如权利要求2所述的一种便携式土壤速效养分检测装置，其特征在于，所述液态离子选择交换剂为：20μm-40μm长度的NH4 +离子选择交换剂、20μm-40μm长度的NO3 -离子选择交换剂或180μm-200μm长度的K+离子选择交换剂。
4.如权利要求1所述的一种便携式土壤速效养分检测装置，其特征在于：所述玻璃微电极阵列(1)插接于所述前置放大装置(2)上。
5.如权利要求1或4所述的一种便携式土壤速效养分检测装置，其特征在于，还包括：供给电能的电源，所述电源采用低纹波的电池。
6.如权利要求1所述的一种便携式土壤速效养分检测装置，其特征在于：所述信号调理电路(3)包括用于稳定信号的电压跟随电路和用于滤除噪声的滤波电容。
7.如权利要求1所述的一种便携式土壤速效养分检测装置，其特征在于：所述数据处理装置(7)包括采集卡和微处理器，所述采集卡具有16路采集通道，且所述采集卡的采集位数为16位。
8.如权利要求1所述的一种便携式土壤速效养分检测装置，其特征在于，还包括：与所述数据处理装置(7)相连且用于检测土壤中水分的水分传感器(4)。
9.如权利要求1所述的一种便携式土壤速效养分检测装置，其特征在于，还包括：与所述数据处理装置(7)相连且用于监测环境温度的温度传感器(5)。
10.如权利要求1所述的一种便携式土壤速效养分检测装置，其特征在于，还包括：与所述数据处理装置(7)相连且用于定位并记录采样位置信息的GPS(6)。
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